麻省理工新方法控制循环生产更强聚合物

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简单的技术减少了会削弱塑料和橡胶等材料的循环。塑料，橡胶和许多其他有用的材料由聚合物—长链排列在交联网络中构成。在分子水平上，这些聚合物网络的结构缺陷会削弱它们。　　几年前，麻省理工学院的研究人员首先对某些类型的这些缺陷进行了测量，这些缺陷称为“环路”，是当聚合物网络中的一个链与自身而不是另一个链结合时引起的。现在，同样的研究人员发现了一种简单的方式来减少聚合物网络中的环的数量，从而增强了由聚合物制成的材料。　　为了实现这一目标，研究人员简单地将聚合物网络的一种组成成分缓慢地添加到大量的第二组分中。使用这种方法，他们能够在各种不同的聚合物网络结构将环路数量减少一半。这可以为工业上有用的材料的制造商如塑料或凝胶的制造商提供一种简单的方法来加强其材料。　　Firmenich职业发展副研究员麻省理工学院化学副教授JeremiahA.Johnson说，“只要改变你将一个组件添加到另一个组件的速度，你就可以改善机械性能。　　麻省理工学院研究生YuweiGu是本文的第一作者，于4月24日发表在国家科学院院刊上。其他作者是麻省理工学院化学工程副教授BradleyOlsen;麻省理工学院研究生KenKawamoto;前麻省理工学院博士后MingjiangZhong，MaoChen;凯斯西储大学助理教授MichaelHore;凯斯西储大学研究生AlexJordan;前麻省理工学院客座教授和凯斯西储大学副教授LaShandaKorley。　　控制循环　　2012年，Johnson的团队设计了第一种测量聚合物网络中环路数量的方法，并通过Olsen的理论预测验证了这些结果。研究人员发现，根据起始材料中的聚合物链的浓度和其他因素，环路可约占网络百分之九至百分之百。　　几年后，Johnson和Olsen开发了一种计算削弱材料的循环的方法。在最新的工作中，他们着手于减少环路形成，并且在不改变材料组成的情况下实现这个目的。　　Johnson说：“我们为自己设定的目标是将相同的前体材料用于一种经常使用的材料，并且，在相同的条件和相同的浓度下使用相同的前体，使材料的循环量减少”。　　在本文中，研究人员首先着重于一种被称为星形聚合物网络的聚合物结构。这种材料有两个不同的结构单元：一个称为“B4”的四个相同臂的星形，一个称为“A2”的链，A2的每个分子都附着在B4的其中一个臂的末端。然而，在典型的合成过程中，当一切都被立即混合在一起时，一些A2链最终结合到两个B4臂中，形成一个环。　　研究人员发现，如果将B4缓慢添加到A2的溶液中，则B4的每一个臂将与单个A2分子快速反应，因此A2的形成循环的机会较少。　　在缓慢加入一半的B4溶液几个小时后，他们一次加入了后半部分，星形亚单元连接在一起形成交联网络。研究人员发现，这种材料大约占使用传统合成工艺生产的相同材料的环路的一半。　　Johnson说，根据原材料中回路的数量，这种“慢而快”的方法可以将材料的强度提高至600%。　　卡内基梅隆大学化学教授KrzysztofMatyjaszewski说，“基于缓慢交联剂的添加的这种非常简单的巧妙而强大的方法减少了分子内环化并明显优化了聚合物网络的机械性能。”　　更好的产品　　研究人员还尝试了这种技术与四种其他类型的聚合物网络合成反应。他们不能测量所有类型聚合物的环路数，但是它们在材料的强度方面也发现了类似的改进。　　这种方法可能有助于提高由凝胶或其他交联聚合物制成的任何材料的强度，包括塑料，水净化膜，环氧树脂粘合剂或水凝胶如隐形眼镜。　　Johnson实验室正在研究将此方法应用于各种材料，包括用于生长组织工程细胞的凝胶。